青藏高原东北部地区一次强降水过程的灰色尺度积云对流参数化敏感性研究.pdf
《青藏高原东北部地区一次强降水过程的灰色尺度积云对流参数化敏感性研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《青藏高原东北部地区一次强降水过程的灰色尺度积云对流参数化敏感性研究.pdf(20页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、吴迪,田洁,胡田田,等.2023.青藏高原东北部地区一次强降水过程的灰色尺度积云对流参数化敏感性研究 J.大气科学,47(4):12471266.WUDi,TIANJie,HUTiantian,etal.2023.SensitivityStudyofCumulusConvectiveParameterizationataGrayZoneduringaHeavyPrecipitationProcessovertheNortheasternTibetanPlateauJ.ChineseJournalofAtmosphericSciences(inChinese),47(4):12471266.do
2、i:10.3878/j.issn.1006-9895.2208.22045青藏高原东北部地区一次强降水过程的灰色尺度积云对流参数化敏感性研究吴迪1田洁2胡田田3傅宁11中国民航大学航空气象系,天津3003002中国民用航空西南地区空中交通管理局重庆分局气象台,重庆4011203天津海洋中心气象台,天津300074摘要本文利用 WRF(WeatherResearchandForecasting)V4.0 模式对 2016 年 8 月 1718 日发生在青藏高原东北部青海省的一次强对流过程开展了 3km 高分辨率数值模拟,基于观测小时降水数据、FY-2E 卫星资料、探空资料和再分析资料等,通过四组
3、敏感性试验对比分析了在模式对流灰色尺度中使用完全显式方案(EXP 试验)、传统参数化方案(KF 试验)以及尺度感知参数化方案(Multi-ScaleKF;MSKF 试验)对对流降水模拟的差异及其影响机制。结果表明:不同的湿物理过程处理对青藏高原地区灰色尺度内对流降水强度和落区的模拟存在较大差异。KF 试验模拟的 18 小时累积降水在降水落区和强度上较 EXP 和 MSKF 试验与实况最为接近,这与Kain-Fritscheta(KFeta)参数化方案在降水中心区域产生的对流性降水对总降水的相对贡献较大有关。而 EXP和 MSKF 试验模拟的降水潜热释放产生的 300400hPa 正位涡(Pot
4、entialVorticity;PV)异常,受较强的垂直风切变影响随高度向下游倾斜明显,使得其低层 500hPa 正 PV 异常大值区较 KF 试验呈现出超前特征,进而导致了下游地区低层的局地风场特征、水汽通量输送及大气稳定度的改变,最终导致强降水落区较 KF 试验和实况向东北方向(下游)偏移。以上分析表明,在青藏高原灰色尺度内,仍然需要依赖对流参数化方案隐式地描述次网格对流过程来弥补显式方案的模拟偏差;而 MSKF 方案似乎对该地区的对流描述还存在一些不确定性。关键词积云对流参数化灰色尺度对流降水数值模拟文章编号1006-9895(2023)04-1247-20中图分类号P435文献标识码A
5、doi:10.3878/j.issn.1006-9895.2208.22045Sensitivity Study of Cumulus Convective Parameterization at a GrayZone during a Heavy Precipitation Process over theNortheastern Tibetan PlateauWUDi1,TIANJie2,HUTiantian3,andFUNing11Department of Aviation Meteorology,College of Air Traffic Management,Civil Avia
6、tion University of China,Tianjin 3003002Meteorological Observatory of Chongqing Sub-bureau of Southwest China Regional Air Traffic Management Bureau,Civil Aviation收稿日期2022-03-03;网络预出版日期2023-01-12作者简介吴迪,男,1991 年出生,博士、讲师,主要从事中尺度数值模拟研究。E-mail:d_通讯作者胡田田,E-mail:资助项目国家重点研发计划项目 2020YFB1600103,国家自然科学基金项目 42
7、005004、42075008,中央高校基本科研业务专项3122019137、3122015C023Funded byNationalKeyResearchandDevelopmentProgramofChina(Grant2020YFB1600103),NationalNaturalScienceFoundationofChina(Grants42005004,42075008),FundamentalResearchFundsfortheCentralUniversities(Grant3122019137,3122015C023)第47卷第4期大气科学Vol.47No.42023年7月C
8、hineseJournalofAtmosphericSciencesJul.2023Administration of China,Chongqing 4011203Tianjin Central Observatory for Oceanic Meteorology,Tianjin 300074AbstractModelsimulationsofaheavyconvectiveprocessthatoccurredinthenortheasternTibetanPlateau(TP)onAugust17and18,2016,wereperformedusingthe3-kmhigh-reso
9、lutionWeatherResearchandForecastingV4.0model.Basedontheobservedhourlyprecipitationproducts,FY2Esatellite,observationsounding,andreanalysisdatasets,asetoffoursensitivitytestswereperformedtocompareandanalyzethedifferencesandinfluencemechanismsofconvectiveprecipitationusingafullyexplicitconvectionschem
10、e(EXPexperiment),traditionalparameterizedconvectionscheme(KFexperiment),andscale-awareparameterizationscheme(multiscaleKF;MSKFexperiment)inamodelconvectivegrayzone.Themajorconclusionswereasfollows.Considerablevariationsinheavyprecipitationsimulationofintensityandlocationingrayscaleoverthenortheaster
11、nTPwereobservedwithvarioustreatmentsofmoistphysicalprocesses.ComparedwiththosesimulatedbytheEXPandMSKFexperiments,the18-htotalprecipitationsimulatedbytheKFexperimentwasclosesttotheobservedprecipitationintermsofprecipitationamountandlocation,whichisassociatedwiththerelativecontributionofKainFritschEt
12、ageneratedprecipitationtototalprecipitationinthecentralrainarea.Furthermore,the 300400 hPa positive potential vorticity(PV)anomalies generated by the latent heat release ofprecipitationintheEXPandMSKFexperimentstendedtotiltmoredownstreamwithaltitudebecauseoftheirstrongverticalwindshears,leadingtomor
13、eadvancedpositivePVanomaliesatalowerlevelof500hPathanthatintheKFexperiment.Thisfurtherresultedinthealterationofthelow-levellocalwindfields,moisturefluxtransportfields,andatmosphericstability,ultimatelygeneratingheavyprecipitationnortheastward(downstream)versustheKFexperimentand observation.The above
14、 investigation results suggested that it may be necessary to employ the convectiveparameterizationschemeatthegrayzoneovertheTPregion,treatingthesubgrid-scaleconvectiveprocessimplicitlytocompensateforthesimulationdeviationfromtheexplicitscheme.However,theMSKFschemehassomeuncertaintiesintheexpressiono
15、fsubgrid-scaleconvectionoverthisregion.KeywordsCumulusconvectionparameterization,Grayscale,Convectiveprecipitation,Numericalsimulation 1 引言强对流天气作为我国暖季降水的重要组成部分,通常伴随着冰雹、大风、闪电、短时强降水甚至龙卷等灾害性天气,对人民生命和财产安全构成了巨大威胁(陶诗言等,1979;FritschandHeideman,1989)。因此,对此类天气过程的分析和预报一直是国内外中尺度气象学研究的热点问题(CaoandZhang,2016)。尽管近
16、些年数值天气预报在诸多方面取得了改进和发展,但目前对于局地对流降水的预报还存在着较大的不确定性(FritschandCarbone,2004;崔春光等,2021)。研究表明,模式网格分辨率是影响中尺度对流降水模拟的一个重要因素(Weismanetal.,1997),采用更高的分辨率可以更好地模拟降水的极值特征(Wedietal.,2020)。随着计算技术的不断提高,未来几年内,基于 34km 高分辨率的对流相容(convection-permitting)尺度的集合预报系统将有望在实际业务中投入使用(Clarketal.,2012;Schwartzetal.,2015;Maetal.,2022
17、)。在网格分辨率较粗(10km)的情况下,模式需激活积云参数化方案来处理难以解析的小尺度对流云过程(成安宁等,1998;熊喆和符淙斌,2006;Doneetal.,2006);当网格格距达到 34km时,网格格距足够小以致于不需要积云参数化方案就可预报出有组织的对流系统,这一假定的前提条件是模式能够完全显式地识别出格点尺度的对流过程(Kainetal.,2008)。然而,近年来许多致力于高分辨率模式改进的学者对这一观点提出了质疑(Bryanetal.,2003;Gerard,2015;张旭等,2017)。事实上,有不少学者围绕高分辨率的积云对流参数化开展了研究工作,试图优化和改进其高分辨率下的
18、模拟表现(BengtssonandKrnich,2016;Zhengetal.,2016;张广俊等,2017;Wangetal.,2019;赵晨阳和徐国强,2020)。模式对流“灰色尺度”可以理解为深对流参数化需要适应的尺度范围,在这个水平尺度内,尽管网格格距已很小,即对流参数化的一些假定不再成立(ArakawaandWu,2013;SuhasandZhang,2015),但仍然难以完全地解析对流过程(Gerard,2007)。灰色尺度的阈值范围因地理位置、天气状况以及模大气科学47卷1248ChineseJournalofAtmosphericSciencesVol.47式不同而存在差异,但
19、通常介于 110km 的水平网格间距内(马艳等,2017)。尽管大多数学者认为在灰色尺度内不宜采用积云对流参数化方案,但一些研究表明,在相对高分辨率的模式中开启积云参数化方案有时也会表现出一些优点(李祥等,2020)。例如,使用积云对流参数化可以有效地避免不真实的对流有效位能(convectiveavailablepotentialenergy,CAPE)和虚假对流的产生(Zhanget al.,1988;Mahoney et al.,2013)。Deng andStauffer(2006)的研究表明,在 4km 高分辨率下,关闭积云对流参数化的模拟效果并没有像预期那样得到改善,这可能与降水和
20、大气对中尺度对流系统的响应过强有关。Cintineoetal.(2014)也认为,云微物理方案如何描述次网格尺度的微物理过程仍存在较大的不确定性,在这些不确定性被彻底消除之前,仍然需要依赖积云对流参数化。此外,仅使用云微物理方案也可能会造成某些地区不合理地再现湿对流和降水过程(Blosseyetal.,2007;Clarketal.,2012)。不可否认的是,积云对流参数化方案也会影响对流系统的传播及降水的模拟表现(Doneetal.,2004;YuandLee,2010)。例如,通过理想试验,Davisetal.(2003)认为,对流参数化所产生的冷池偏暖可能是导致对流系统传播减弱的原因。在
21、美国东南部,积云对流参数化方案会导致模拟的对流触发时间较观测更早(Choietal.,2015)。MahoneyandLackmann(2007)的研究表明,对流参数化不仅会对对流系统本身的预报产生负面影响,同时也会影响下游地区的预报效果。基于前人对于对流灰色尺度的研究,积云对流参数方案在灰色尺度内的适用性尚存在着争议,尽管 Zhengetal.(2016)在 Kain-Fritscheta(KFeta)方案(Kain,2004)基础上引入了“尺度感知”的对流调整时间使其适应灰色尺度的对流模拟,并取得了一定的改进效果。然而,对于局地对流降水过程方面的适用性还有待进一步检验和评估。此外,灰色尺度
22、内对流参数化的适用性可能也与对流系统所处的环境和大气状况存在联系(Doneetal.,2006)。青藏高原作为世界上面积最大、海拔最高的高原,有“世界屋脊”和“亚洲水塔”之称(叶笃正和高由禧,1979;徐祥德等,2019),其引起的热力和动力效应对当地及其下游地区的天气和气候有着显著的影响(吴国雄等,2018)。以往的研究表明,该地区夏季受地表热力强迫和地形动力抬升的影响,对流活动频发(LiandZhang,2016),加之高原上空水汽含量较低,CAPE 也较周围其他地区偏低(Chenetal.,2017)。潘晓和傅云飞(2015)通过分析 19982007 年热带卫星 TRMM 降水资料,总
23、结出夏季高原地区的降水主要以深厚弱对流降水为主(67.8%),浅薄降水次之(26.4%),深厚强对流降水出现最少(5.8%)。Luoetal.(2011)利用 2006 年至 2009 年卫星观测数据对比分析了夏季南亚和北美亚热带地区的深层对流特征,得出了类似的结论。在青藏高原地区,灰色尺度内高分辨率模拟能否合理刻画该地区的对流云降水特征?积云参数化方案对该地区灰色尺度的对流降水模拟表现如何?其对对流降水模拟的影响及影响机制又是什么?这些问题的澄清将有助于加深对青藏高原地区灰色尺度内对流方案适用性的理解,对提高模式在青藏高原地区对流降水的预报能力具有参考和借鉴意义。基于此,本文尝试利用中尺度数
24、值模式 WRF(WeatherResearchandForecasting),采用显式的、KFeta 对流参数化方案和 MSKF 对流参数化方案开展 3km 高分辨率敏感性试验,通过青藏高原地区发生的一次强对流降水过程对比分析显式方案与传统的参数化方案以及尺度感知的参数化方案的对流降水模拟效果,理解现有积云对流方案在青藏高原地区灰色尺度内的适用性,进而研究对流降水模拟差异的形成原因及其影响机制。2 资料选取与模式描述 2.1 资料介绍本文所选用的观测资料包括中国气象数据网提供 的 中 国 自 动 站 与 CMORPH 融 合(ClimatePredictionCenter smorphingt
25、echnique)逐小时降水量 0.1数据集(http:/2022-03-03)和西宁探空(站号:52866)数据。其中,逐小时观测降水资料主要用于评估和检验模式对于 2016年 8 月 1718 日强对流过程降水模拟表现,探空资料计算的对流有效位能用于对比分析模式在西宁站大气稳定度的模拟效果。所用再分析资料来自美国国家环境预报中心 NCEP(NationalCentersforEnvironmentalPrediction)的 GDAS/FNL 全球再分析资料集(Kalnayetal.,1996),水平分辨率为0.250.25,时间分辨率为 6 小时,垂直分层31 层,主要用于此次对流过程的
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 青藏高原 东北部 地区 一次 降水 过程 灰色 尺度 积云 对流 参数 敏感性 研究
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。